一种单双极性转换直流变换器制造技术

本发明专利技术提供了一种单双极性转换直流变换器，包括通过中频变压器两端相连的单极侧功率模块和双极侧功率模块；单极侧功率模块包括电力电子器件全桥电路、稳压电容和直流断路器；电力电子器件全桥电路的两端与中频变压器相连，另外两端接入单极直流系统；双极侧功率模块包括电力电子器件全桥电路、电容、稳压电容、电抗器和直流断路器；电力电子器件全桥电路的两端与中频变压器相连，另外两端接入双极直流系统。与现有技术相比，本发明专利技术提供的单双极性转换直流变换器电路结构紧凑，所需开关元件数量更少，能够实现软开关，降低系统损耗；通过调整中频变压器的绕组，该变换器能够实现单极直流系统和双极直流系统之间的电气隔离；同时适用于高变压比场合。

【技术实现步骤摘要】
一种单双极性转换直流变换器
本专利技术涉及一种双极直流变换器，具体涉及一种无电压均衡器的双极直流变换器。
技术介绍
直流供电系统的枢纽直流配电将交流整流输出的直流、新能源发电所产生的直流和储能单元输出的直流汇接成不间断的直流输出母线，再分接为各种容量的负载供电支路，传入相应熔断器或负荷开关后向负载供电。与传统的交流配电网比，直流配电网具有下述优点：①：减小了电能变换中的交流环节，减少系统元件数的同时，又降低了变流器损耗；不存在涡流损耗和无功功率，降低线路损耗；②：便于分布式电源与负载连接；③：提高电能质量与供电可靠性；④：提供更为经济的照明选择。直流配电的直流供电技术已广泛应用于船舶、电动汽车和通信系统中，但是应用于直流配电领域的直流供电技术还有待完善；美国ABB公司、弗吉尼亚理工大学、北卡罗来纳州立大学，日本大阪大学和韩国明知大学等已开展了对直流微网配电的直流供电技术的研究。为降低开关元件以及线路绝缘水平，直流配网系统一般采用双极母线；在直流线路发生单极接地故障时，健全极仍能保证正常运行，从而保障更高的供电可靠性以及便于接入直流配网的逆变器直流侧电压的选择与设计。现有直流系统中无论是负载(包括直流负载、逆变器、变频器)、直流电源(包括可再生能源发电、整流器所得电源)还是储能装置(包括蓄电池、超级电容等)，直流侧均为单极性。为实现单极性负载、电源或储能装置与双极直流配网的连接，主要采用以下技术手段：将负载、电源以及负载接在双极直流配电网的正极对地一侧、地对负极一侧或正极对负极一侧，即与双极配电系统的某一单极端直接连接，如图1所示。这种供电结构不可避免地会出现系统正极对地一侧与地对负极一侧功率分配的不均衡的情况，影响供电质量与可靠性。为缓解上述不均衡的问题，需要在系统中额外增设一个或多个电压均衡器(VoltageBalancer)调节这部分不平衡功率。目前对双极系统结构的研究多集中在电压均衡器拓扑结构的设计上，上述方案中电压均衡器是专为系统处于异常状态而设计的，当系统不均衡现象不明显时，电压均衡器将工作在轻载状态，影响直流配电系统的效率。此外，电压均衡器的容量将取决于直流系统的容量，这也就意味着每当直流配电系统结构发生变化，系统中接入了新的电源或负载时，电压均衡器就需要重新设计与安装。基于现有技术的情况，需要提供一种不再需要设置电压均衡器，同时便于系统中新的电源、负载、储能装置投入运行的双极直流变换器。
技术实现思路
为了满足现有技术的需要，本专利技术提出了一种新型单极直流系统与双极直流系统的相互连接方式，同时给出了具体实现电路以及该电路的控制方案；所给出的电路结构具备双向功率流动的能力，具有通用性；当应用于特定单向功率流动场合时，可以将该电路中没有用到的元件略去，以简化电路结构；本专利技术提供的一种单双极性转换直流变换器，包括通过中频变压器相连的单极侧功率模块和双极侧功率模块；所述单极侧功率模块包括电力电子器件全桥电路、稳压电容和直流断路器；所述电力电子器件全桥电路连接于所述中频变压器与单极直流系统之间；所述双极侧功率模块包括电力电子器件全桥电路、电容、稳压电容、电抗器和直流断路器；电力电子器件全桥电路连接于所述中频变压器与双极直流系统之间。优选的，所述单极侧功率模块中的稳压电容并联在所述电力电子器件全桥电路的两端后，一端通过直流断路器接入单极直流系统，另一端直接接入所述单极直流系统；所述稳压电容用于抑制由于所述电力电子器件的开关过程引起的电压波动；优选的，所述双极侧功率模块的电力电子器件全桥电路中的两个相邻桥臂分别依次通过电抗器和直流断路器接入双极直流系统，所述两个桥臂的连接点与所述中频变压器的一端相连；所述电力电子器件全桥电路中的另外两个相邻桥臂的连接点与所述中频变压器的另一端相连，所述连接点接地；优选的，所述电容连接于所述电力电子器件全桥电路与所述电抗器相连的连接点之间；所述电容用于对双极侧功率模块中的功率进行汇集；优选的，所述电抗器与所述直流断路器的连接点通过稳压电容接地；所述稳压电容用于抑制由于所述电力电子器件的开关过程引起的电压波动；优选的，所述单极侧功率模块中电力电子器件全桥电路的相邻桥臂以50％占空比互补导通；优选的，所述双极侧功率模块中电力电子器件全桥电路的相邻桥臂互补导通；所述电力电子器件全桥电路中与同一个电抗器相连的桥臂的导通占空比相同，载波相位相差180°；优选的，所述直流变换器的工作模式包括功率交互模式、单极运行模式和孤岛运行模式；所述功率交互模式时，直流断路器均闭合，实现单极直流系统与双极直流系统的有功功率交互；所述单极运行模式时，单极侧功率模块中的直流断路器闭合，双极侧功率模块中与双极直流系统中发生故障的单极端连接的直流断路器断开，另一个直流断路器闭合；所述孤岛运行模式时，单极侧功率模块中的电力电子器件闭锁，双极侧功率模块中的电力电子器件互补导通。与最接近的现有技术相比，本专利技术的优异效果是：1、本专利技术技术方案中，采用含有新型单双极转换变换器的双极直流配网结构能够维持双极直流系统的双极电压均衡，节省了现有低压直流架构(low-voltagedirectcurrent，LVDC)中电压均衡器，克服了带有该变换器器所导致的系统架构复杂的问题；2、本专利技术技术方案中，所提出的单双极转换变换器具体实施电路采用中频变压器实现高升压比(5-10倍)，从而能够实现低压双极直流系统与中压直流的连接，使得使低压双极直流系统扩展到中压直流系统；3、本专利技术技术方案中，所提出的单双极转换变换器具体实施电路能够实现双极直流系统的不对称运行，具备自动分配功率的能力；具体实现方式是调整开关S23占空比，并保证S23、S24互补导通；假设S23占空比为D，则S24占空比为1-D稳态时即通过控制占空比D可以保证输出双极电压均衡，流过双极的电流取决于变换器双极所接的外电路，实现双极之间的功率分配由外电路自主决定的功能；4、本专利技术提供的一种单双极性转换直流变换器，电路结构紧凑，所需开关元件数量更少，因而具有更高的功率密度；5、本专利技术提供的一种单双极性转换直流变换器，包括功率交互模式、单极运行模式和孤岛运行模式；正常工作时采用功率交互模式；双极侧发生外部短路故障时，采用单极运行模式；单极侧发生外部短路故障时，采用孤岛运行模式，维持双极电压均衡；6、本专利技术提供的一种单双极性转换直流变换器，通过调整中频变压器的绕组变压器，能够实现单极直流系统和双极直流系统之间的电气隔离；同时适用于高变压比场合。附图说明下面结合附图对本专利技术进一步说明。图1是：现有双极直流配网的系统结构；图2是：本专利技术实施例中新型双极直流配网系统结构；图3是：图1中的单双极性转换直流变换器的一种具体电路结构图；图4是：本专利技术实施例中一种单双极性转换直流变换器结构图；图5是：本专利技术实施例中单极直流系统向双极直流系统传递有功功率时，直流变换器的电力电子器件波形时序图；图6是：本专利技术实施例中双极直流系统向单极直流系统传递有功功率时，直流变换器的电力电子器件波形时序图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单双极性转换直流变换器，其特征在于，所述直流变换器包括通过中频变压器相连的单极侧功率模块和双极侧功率模块；所述单极侧功率模块包括电力电子器件全桥电路、稳压电容和直流断路器；所述电力电子器件全桥电路连接于所述中频变压器与单极直流系统之间；所述双极侧功率模块包括电力电子器件全桥电路、电容、稳压电容、电抗器和直流断路器；电力电子器件全桥电路连接于所述中频变压器与双极直流系统之间。

【技术特征摘要】
1.一种单双极性转换直流变换器，其特征在于，所述直流变换器包括通过中频变压器相连的单极侧功率模块和双极侧功率模块；所述单极侧功率模块包括电力电子器件全桥电路、稳压电容和直流断路器；所述电力电子器件全桥电路连接于所述中频变压器与单极直流系统之间；所述双极侧功率模块包括电力电子器件全桥电路、电容、稳压电容、电抗器和直流断路器；电力电子器件全桥电路连接于所述中频变压器与双极直流系统之间；所述直流变换器的工作模式包括功率交互模式、单极运行模式和孤岛运行模式；所述功率交互模式时，直流断路器均闭合，实现单极直流系统与双极直流系统的有功功率交互；所述单极运行模式时，单极侧功率模块中的直流断路器闭合，双极侧功率模块中与双极直流系统中发生故障的单极端连接的直流断路器断开，另一个直流断路器闭合；所述孤岛运行模式时，单极侧功率模块中的电力电子器件闭锁，双极侧功率模块中的电力电子器件互补导通。2.如权利要求1所述的一种单双极性转换直流变换器，其特征在于，所述单极侧功率模块中的稳压电容并联在所述电力电子器件全桥电路的两端后，一端通过直流断路器接入单极直流系统，另一端直接接入所述单极直流系统；所述稳压电容用于抑制由于所述电力电子器件的开关过程引起的电压波动。3.如权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚良忠，杨波，许晓慧，陶以彬，曹远志，李官军，蔡旭，朱淼，张建文，马建军，丁杰，卢俊峰，李琰，崔红芬，王德顺，周晨，刘欢，鄢盛驰，王志冰，孙蔚，胡金杭，冯鑫振，吴婧，朱红保，李跃龙，
申请(专利权)人：国家电网公司，中国电力科学研究院，上海交通大学，江苏省电力公司，
类型：发明
国别省市：北京;11